本發明專利技術公開了一種便攜式熱流計實時標定裝置和標定方法，該裝置由各個部分能夠隨時拆卸和隨時轉運的高功率激光器、激光輸出光纖、一體化光束調節機構、均勻化激光傳輸光纖、光纖/熱流計轉接器、以及外聯的熱流計、高速采集器、數據處理器組成；該方法包括：開啟高功率激光器并設定激光功率，將該激光功率設定為滿足熱流計熱流密度加載條件的對應功率；激光從高功率激光器輸出后由激光輸出光纖傳輸至光斑直徑調節系統；激光經過光斑直徑調節系統后進入光斑功率均勻化系統進行激光能量均勻化；本發明專利技術具備了標定能力優異、模塊化、輕質、易于攜帶、運輸的特性，使得熱流計標定不再局限于實驗室，具有便攜式、實時在線化、高效的實驗現場標定能力。
1、在高超聲速飛行器的研制過程中，由于飛行速度極高、飛行時間較長，由氣動加熱、激波、燃燒產生的熱量積累，導致飛行器局部區域溫度可達3000k以上，熱流可達十mw/m2以上，這對現有防熱結構的防護有效性帶來嚴苛的挑戰。因此需要在高超聲速飛行器研制的各個環節對防熱材料或結構進行對應熱流條件下的熱考核試驗，在考核過程中，對熱流的實時測量是十分必要的，在此過程中需要使用到各種類型的熱流傳感器，而為了保證測試的準確性，首先需要對熱流計進行精準的標定與校核。
3、上述方法普遍存在的問題是：第一、標定系統過于復雜、龐大，導致不便于拆卸和轉運，無法滿足熱考核實驗現場高效的熱流計標定需求；第二、需要到專門的指定機構進行標定，排隊時間較長且費用很高，標定后重復使用性差，重復使用性差的原因是：熱流計在經受千度以上高溫和極高熱流沖擊后，其性能會發生變化，性能變化會帶來測量的誤差；第三、不論采用黑體爐法、激波管法、高溫風洞法、石英燈陣加熱法中的哪一種方法進行熱流計的標定，加熱設備產生指定高熱流密度的加熱延遲長；第四、傳統方法的標定，無法產生高頻熱流激勵，熱流上限低，針對量程較小的熱流計尚可進行標定，但對于量程達15mw/m2的極高熱流，且響應時間極短的標定，上述方法已不再適用。
>1、針對現有技術存在的不足，在本專利技術中公開了一種便攜式熱流計實時標定裝置和標定方法，第一目的在于解決傳統標定系統結構過于復雜、龐大，不便于隨時拆卸和轉運，無法滿足熱考核實驗現場高效的熱流計標定需求的問題；第二目的在于解決標定必須到專門機構進行標定，且每次標定的費用很高和耗時很長、標定后不能多次重復使用的問題；第三目的在于解決傳統標定方法的加熱設備產生指定高熱流密度的加熱延遲時間長的問題；第四目的在于解決傳統標定方法，熱流上限低、不能滿足大量程的極高熱流標定的問題。2、本專利技術為解決其技術問題采用以下技術方案：
3、一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特點是：該標定裝置由一字順序排列且各個部分能夠隨時拆卸和隨時轉運的高功率激光器、激光輸出光纖、一體化光束調節機構、均勻化激光傳輸光纖、光纖/熱流計轉接器、以及外聯的熱流計、高速采集器、數據處理器組成；所述光纖/熱流計轉接器的一端連接均勻化激光傳輸光纖，另一端外聯熱流計；所述高功率激光器作為高能量密度熱源為標定裝置外聯的熱流計提供熱流加載、從而代替傳統的大型熱流加載設備；所述的一體化光路調節機構通過集成光束整形和直徑調節功能于一體進行光束能量分布和作用面積的調節，從而代替傳統的復雜且不可拆卸和移動的光學元件形成的系統。
4、進一步地，所述一體化光路調節機構包括光斑直徑調節系統以及激光光斑功率均勻化系統，所述光斑直徑調節系統用于接收所述高功率激光器的光束并將該光束形成的光斑直徑進行調整以與熱流計的感應面相匹配；所述的激光光斑功率均勻化系統用于將高功率激光器發射的原本能量非均勻分布的光束調整為能量均勻分布的平頂光束。
5、進一步地，所述光斑直徑調節系統，由準直系統、各類透鏡光路組成，可進行激光光斑直徑的調節，光斑具體直徑由熱流計感應面直徑確定，以確保光斑直徑大于熱流計感應面直徑，保證熱流計感應面完全接受激光熱流的加載。
6、進一步地，所述激光光斑功率均勻化系統，包括多面微透鏡陣列組、傅里葉透鏡，經過光斑能量均勻化系統后，激光光斑由高斯分布轉變為功率均勻的平頂光束，使得激光具有均勻的功率分布，同時出于系統簡潔的考慮，將光斑直徑調節系統與光斑能量均勻化系統整合為一體式結構。
7、進一步地，所述高功率激光器的熱流密度加載能力，具體為：100w量級的高功率激光器便可產生熱流密度達數十mw/m2的穩定熱流。
8、進一步地：所述高功率激光器的響應時間，具體為：該高功率激光器的激光上升時間在十μs量級。
9、一種便攜式熱流計實時標定方法，其特點是：包括以下步驟：
10、步驟一、開啟高功率激光器并設定激光功率，將該激光功率設定為滿足熱流計熱流密度加載條件的對應功率；
11、步驟二、激光從高功率激光器輸出后由激光輸出光纖傳輸至光斑直徑調節系統；
12、步驟三、光斑直徑調節系統將激光光斑的直徑調節為與熱流計的感應面積相匹配；
13、步驟四、激光經過光斑直徑調節系統后進入光斑功率均勻化系統進行激光能量均勻化；
14、步驟五、光斑功率均勻化系統將非均勻的中間能量密度高周圍能量密度低的光源調整為能量均勻化的平頂光束；
15、步驟六、能量均勻化的平頂光經過均勻化激光傳輸光纖后，由光纖/熱流計轉接器與熱流計連接；
16、步驟七、熱流計加載熱流后，通過高速采集器獲得相應的電信號，通過數據處理及線性擬合后便可獲得熱流計的時間響應系數和熱電響應系數值。
17、進一步地，所述步驟四的光斑功率均勻化系統，在進行激光平頂均勻化整形的過程中采用的方法包括：光闌法、非球面透鏡組法、雙折射透鏡組法、液晶空間光調制器、二元光學元件法、自由曲面激光光束整形法、微透鏡陣列法；出于系統的簡化及整形效果的考慮，優選微透鏡整列組方法。
18、進一步地，光纖/熱流計轉接器與均勻化激光傳輸光纖連接的一端為標準的光纖接頭、與熱流計連接的一端則為圓柱頂絲或法蘭連接結構，以確保均勻化激光可以垂直、同心的加載在熱流計感應面上；
19、進一步地，熱流計感應面采用高溫漆涂黑處理，輻射吸收率高于95％。
20、本專利技術的優點效果
21、1、系統重量與體積小，可隨時拆卸和轉運。本專利技術公開的熱流計標定系統除輕質的輸出光纖外，主要包含：半導體激光器，100w激光器質量通常在10kg；激光光束直徑及能量均勻化調節系統一體式結構，質量不大于2kg；光纖與熱流計連接的轉接頭，質量不大于1kg。因此系統整體質量不會高于15kg，且3個主要功能部分均為模塊化結構，可快速拆卸、存放，易于遠距離的攜帶、輸運和現場快速組裝，且在具體標定過程中，激光器和光束直徑及能量均勻化調節系統均可置于實驗飛行器部件外部，僅光纖/熱流計轉接器及與其連接的光纖安裝于固定在飛行器部件上的熱流計感應面端，因此易于在狹小區域內的安裝、標定。
22、2、熱流密度加載能力極高，100w量級的高功率激光器便可產生熱流密度達數十mw/m2的穩定熱流，且成本遠低于黑體爐法、激波管法、高溫風洞法、石英燈陣加熱法等系統復雜的標定方法；
23、3、響應時間極短，通常激光器的激光上升時間在十μs量級，而各類熱流計的響應時間通常在毫秒量級，完全可滿足熱流計響應時間標定需求，這也是黑體爐法、激波管法、高溫風洞法等方法所欠缺的；
24、4、上述優點使得本專利技術公開的熱流計標定系本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：該標定裝置由一字順序排列且各個部分能夠隨時拆卸和隨時轉運的高功率激光器、激光輸出光纖、一體化光束調節機構、均勻化激光傳輸光纖、光纖/熱流計轉接器、以及外聯的熱流計、高速采集器、數據處理器組成；所述光纖/熱流計轉接器的一端連接均勻化激光傳輸光纖，另一端外聯熱流計；所述高功率激光器作為高能量密度熱源為標定裝置外聯的熱流計提供熱流加載、從而代替傳統的大型熱流加載設備；所述的一體化光路調節機構通過集成光束整形和直徑調節功能于一體進行光束能量分布和作用面積的調節，從而代替傳統的復雜且不可拆卸和移動的光學元件形成的系統。
2.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述一體化光路調節機構包括光斑直徑調節系統以及激光光斑功率均勻化系統，所述光斑直徑調節系統用于接收所述高功率激光器的光束并將該光束形成的光斑直徑進行調整以與熱流計的感應面相匹配；所述的激光光斑功率均勻化系統用于將高功率激光器發射的原本能量非均勻分布的光束調整為能量均勻分布的平頂光束。
3.根據權利要求1所述的一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述光斑直徑調節系統，由準直系統、各類透鏡光路組成，可進行激光光斑直徑的調節，光斑具體直徑由熱流計感應面直徑確定，以確保光斑直徑大于熱流計感應面直徑，保證熱流計感應面完全接受激光熱流的加載。
4.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述激光光斑功率均勻化系統，包括多面微透鏡陣列組、傅里葉透鏡，經過光斑能量均勻化系統后，激光光斑由高斯分布轉變為功率均勻的平頂光束，使得激光具有均勻的功率分布，同時出于系統簡潔的考慮，將光斑直徑調節系統與光斑能量均勻化系統整合為一體式結構。
5.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述高功率激光器的熱流密度加載能力，具體為：100W量級的高功率激光器便能夠產生熱流密度達數十MW/m2的穩定熱流。
6.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述高功率激光器的響應時間，具體為：該高功率激光器的激光上升時間在十μs量級。
7.一種基于權利要求1-6任意一項的一種便攜式熱流計實時標定裝置的便攜式熱流計實時標定方法，其特征在于：包括以下步驟：
8.根據權利要求4所述的一種便攜式熱流計實時標定方法，其特征在于：所述步驟四的光斑功率均勻化系統，在進行激光平頂均勻化整形的過程中采用的方法包括：光闌法、非球面透鏡組法、雙折射透鏡組法、液晶空間光調制器、二元光學元件法、自由曲面激光光束整形法、微透鏡陣列法；出于系統的簡化及整形效果的考慮，優選微透鏡整列組方法。
9.根據權利要求4的一種便攜式熱流計實時標定方法，其特征在于：光纖/熱流計轉接器與均勻化激光傳輸光纖連接的一端為標準的光纖接頭、與熱流計連接的一端則為圓柱頂絲或法蘭連接結構，以確保均勻化激光可以垂直、同心的加載在熱流計感應面上。
10.根據權利要求4的一種便攜式熱流計實時標定方法，其特征在于：熱流計感應面采用高溫漆涂黑處理，輻射吸收率高于95％。
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【技術特征摘要】
1.一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：該標定裝置由一字順序排列且各個部分能夠隨時拆卸和隨時轉運的高功率激光器、激光輸出光纖、一體化光束調節機構、均勻化激光傳輸光纖、光纖/熱流計轉接器、以及外聯的熱流計、高速采集器、數據處理器組成；所述光纖/熱流計轉接器的一端連接均勻化激光傳輸光纖，另一端外聯熱流計；所述高功率激光器作為高能量密度熱源為標定裝置外聯的熱流計提供熱流加載、從而代替傳統的大型熱流加載設備；所述的一體化光路調節機構通過集成光束整形和直徑調節功能于一體進行光束能量分布和作用面積的調節，從而代替傳統的復雜且不可拆卸和移動的光學元件形成的系統。
2.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述一體化光路調節機構包括光斑直徑調節系統以及激光光斑功率均勻化系統，所述光斑直徑調節系統用于接收所述高功率激光器的光束并將該光束形成的光斑直徑進行調整以與熱流計的感應面相匹配；所述的激光光斑功率均勻化系統用于將高功率激光器發射的原本能量非均勻分布的光束調整為能量均勻分布的平頂光束。
3.根據權利要求1所述的一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述光斑直徑調節系統，由準直系統、各類透鏡光路組成，可進行激光光斑直徑的調節，光斑具體直徑由熱流計感應面直徑確定，以確保光斑直徑大于熱流計感應面直徑，保證熱流計感應面完全接受激光熱流的加載。
4.根據權利要求1所述一種便攜式熱流計實時標定裝置，其特征在于：所述激光光斑功率均勻化系統，包括多面微透鏡陣列組、傅里葉透鏡，經過光斑能量均...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李騰，張玉鋒，張穗，
申請(專利權)人：廣東空天科技研究院南沙，
類型：發明
國別省市：
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